摘 要:采用Gleeble3500型熱模擬試驗機對 X80管線鋼進行模擬,制定出了 X80管線鋼的模 擬焊接熱影響區連續冷卻轉變(SHCCT)曲線,分析了顯微組織和硬度隨冷卻速率的變化情況。結 果表明:X80管線鋼的冷裂紋敏感性指數小于0.2%,具有低焊接裂紋敏感性,焊接工藝的預熱溫度 應控制在47℃以上,且應避免在較快的冷卻速率下焊接。經過熱模擬后對 X80管線鋼沖擊吸收 能量和SHCCT曲線的初步推斷,X80管線鋼焊接時較合理的熱輸入為10~20kJ·cm-1。
關鍵詞:X80管線鋼;熱模擬;焊接工藝;裂紋敏感性;熱輸入
中圖分類號:TG115 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2021)12-0052-03
隨著管線鋼鋼材強度的提高,高鋼級管線鋼 焊接接頭產生焊接冷裂紋的傾向也增大。因此制 定合理的焊接工藝,避免焊接冷裂紋的產生是焊 接生產的關鍵。以往焊接工藝參數的確定是以焊 接工藝評定試驗來確定。在實際的工作中主要根 據掌握的材料焊接性能再結合工程特點與設計、 工藝要求及合格的焊接工藝制定出適合具體施工 要求的焊接工藝參數[1]。而模擬焊接試驗則可以 節約大量的人力和物力,因此現在常采用模擬焊 接試驗來研究材料的焊接性能,從而確定焊接工 藝參數。筆者采用 Gleeble3500型熱模擬試驗機 對 X80管線鋼進行模擬,繪制出了 X80鋼的模擬 焊接熱影響區連續冷卻轉變(SHCCT)曲線,分析 了顯微組織和硬度隨冷卻速率的變化情況。通過 分析典型熱輸入對 X80鋼熱影響區沖擊韌性的影 響,結合組織和硬度隨冷卻速率的變化情況,以及 冷裂紋敏感性指數的計算,提出了 X80鋼焊接時 較合理的熱輸入范圍。
1 試驗材料及試驗方法
試驗材料選自某廠生產的 X80管線鋼直縫埋弧焊管,生產工藝為熱機械控制工藝(TMCP),其化 學成分見表1。鋼管的力學性能優良,屈服強度為 601 MPa,抗拉強度為 677 MPa,斷后 伸 長 率 為 25.5%,沖擊吸收能量為329J。
熱模擬試樣在距離管體焊縫90°的管體橫向位 置取樣,試樣取自1/4壁厚位置,分別加工出尺寸為 ?6mm×90mm和10.5mm×10.5mm×75mm的 兩種 試 樣,SHCCT 曲 線 的 繪 制 選 取 ?6 mm× 90mm試樣,加熱速率為130 ℃·s-1,加熱的最高 溫度為1300℃,保溫時間為1s,然后以60℃·s-1 的冷卻速率冷卻至900℃,之后分別以0.2,0.5,1, 2,5,10,20,40℃·s-1的冷卻速率冷卻到室溫。通 過熱膨脹儀實時采集膨脹曲線,利用切線法確定相 轉變溫度點,并通過觀察試樣的顯微組織和測試維 氏硬度結果,繪制出試樣的SHCCT曲線。之后在 10.5mm×10.5mm×75mm的試樣上分別進行熱 輸入為5,10,20,30kJ·cm-1的焊接熱循環模擬,試 驗采用 Rykalin2D 模型,加熱速率為130℃·s-1, 峰值溫度為1350℃,峰值保溫時間1s,預熱溫度 150℃,然后將試樣加工成帶 V型缺口的10mm× 10mm×55mm沖擊試樣,之后進行-20 ℃的夏 比沖擊試驗[2]。
2 試驗結果與討論
2.1 冷裂紋敏感性指數的計算
首先計算 X80 鋼的焊接冷裂紋敏感性指數 Pcm,在Pcm 指數的基礎上計算出焊接冷裂紋敏感 性Pc,同時計算出不產生冷裂紋的預熱溫度T0,結 果如表2所示。
根據表2可知,X80鋼的Pcm 小于0.2%,具有 低焊接裂紋敏感性。在焊接過程中,應盡量采用能 夠形成低氫或超低氫型焊縫的焊接材料,同時采取 適當的焊接工藝方法,預熱溫度控制在47℃以上, 避免焊接冷裂紋的產生。
2.2 SHCCT曲線
利用膨脹儀和熱模擬試驗機測得在不同冷卻速率下的膨脹曲線,通過切線法計算各膨脹曲線的相 變開始點和相變結束點,然后利用杠桿法計算各冷 卻速率下各相的體積分數,測試各冷卻速率下的維 氏硬度,以時間的對數為橫坐標,溫度為縱坐標繪制 SHCCT曲線,如圖1所示。
X80鋼試樣在不同冷卻速率下的顯微組織形貌 如圖2所示。當冷卻速率為0.2℃·s-1時,試樣的 顯微組織為鐵素鐵+珠光體,當冷卻速率增加到 0.5℃·s-1時,貝氏體開始析出,隨著冷卻速率的增 加,鐵素體和珠光體的含量逐漸減少,貝氏體的含量 逐漸增加,當冷卻速率達到5℃·s-1時,完全轉變為 貝氏體組織。貝氏體主要以板條貝氏體為主,隨著 冷卻速率的增加晶界內的鐵素體基體板條變細,馬/ 奧島(M/A)組織呈連續或半連續的形態分布在基 體上,數量逐漸增多,同時組織取向也變得越加明 顯。當冷卻速率達到20℃·s-1時,馬氏體組織開始 析出,顯微組織為粒狀貝氏體+板條馬氏體,隨著溫 度的降低,貝氏體的含量逐漸減少,馬氏體的含量逐 漸增加。馬氏體的組織硬而脆,因此,應避免在較快 的冷卻速率下進行焊接[4]。
隨著冷卻速率的增加,硬度呈現出上升趨勢。 當冷卻速率小于1℃·s-1時,顯微組織中含有大量 的塊狀或多邊形鐵素體,并有少量的貝氏體,因而硬 度較低,硬度為180~200HV10。當冷卻速率大于 1℃·s-1時,隨著冷卻速率的增加,貝氏體含量增加,貝氏體的形態由板條貝氏體向粒狀貝氏體轉變, M/A島的數量逐漸增多,分布更加均勻,導致顯微 硬度上升,硬度為200~230HV10。當冷卻速率大 于10℃·s-1時,組織中開始析出淬硬性馬氏體組 織,隨著冷卻速率的再增加,馬氏體組織的含量逐漸 增加,硬度也逐漸上升,硬度大于230HV10,主要 原因是馬氏體組織內的板條貝氏體位錯密度較高, 晶粒內部組織細小[5-6]。
2.3 不同熱輸入熱影響區的沖擊性能
在熱模擬試驗機上采用 Rykalin2D模型分別 進行了熱輸入為5,10,20,30kJ·cm-1的焊接熱循 環試驗,模擬X80鋼在不同焊接熱輸入下焊接熱影 響區粗晶區的沖擊性能,如表3所示。
由表3可知,當熱輸入為10~20kJ·cm-1時, 粗晶區的沖擊性能較好,此時的冷卻速率為5~ 21℃·s-1,SHCCT 曲 線 對 應 冷 卻 速 率 為 5~20℃·s-1的冷卻曲線,組織以粒狀貝氏體為主。 當熱輸入為5kJ·cm-1時,沖擊吸收能量為139J, 此時的冷卻速率為85℃·s-1,顯微組織應為馬氏體組織,當 熱 輸 入 為 30kJ·cm-1 時,冷 卻 速 率 為 2℃·s-1,SHCCT曲線對應冷卻速率為2℃·s-1的 冷卻曲線,此時的顯微組織為鐵素體+板條貝氏體。 通過上述試驗結果,可以初步判斷出適合 X80鋼的 最佳焊接熱輸入為10~20kJ·cm-1[6]。
3 結論
(1)X80 鋼的冷裂紋敏感性指數 Pcm 小于 0.2%,具有低焊接裂紋敏感性,焊接工藝的預熱溫 度控制在47℃以上。
(2)由SHCCT曲線可知,試樣的硬度隨著冷 卻速率的增加而增加,當進入馬氏體相區時增加更 為顯著,因此應避免在較快的冷卻速率下進行焊接。
(3)根據熱模擬后試樣的沖擊吸收能量和對應 的SHCCT曲線,初步判斷出 X80鋼適合的焊接熱 輸入為10~20kJ·cm-1。
參考文獻:
[1] 于晨陽,池強,張偉衛.OD1422mm 的 X80級管線鋼 SH-CCT曲線測定與分析[J].金屬熱處理,2020,45 (6):93-97.
[2] 譙明亮,王同良,康雙雙.高強高韌 Q420qE橋梁鋼 SHCCT曲線測試與焊接工藝制定[J].金屬材料及熱 處理,2018(1):52-55.
[3] 賈坤寧,王海東,姜秋月.高強度橋梁鋼焊接冷裂紋敏 感性研究[J].電焊機,2012,42(2):23-25.
[4] 譚會杰,王海燕,李德超,等.X80管線鋼連續冷卻相 變及組織研究[J].金屬熱處理,2015,40(7):91-94.
[5] CHENXW,QIAOGY,WANGX,etal.Studyon microstructureandmechanicalpropertiesofwelding coarsegrainheat-affectedzoneofhighNbX80steels [J].AdvancedScienceLetters,2012,13(1):780-783.
[6] LIUL,XIAO H,LIQ,etal.Evaluationofthe fracturetoughnessofX70pipelinesteelwithferritebainite microstructure [J].Materials Science & EngineeringA,2017,688:388-395.